諧波對電子式電能表計量性能的影響研究

孔偉忠,史 輪,曹曉波,李 傳

(國網河北省電力公司電力科學研究院,石家莊 050021)

諧波對電子式電能表計量性能的影響研究

孔偉忠,史 輪,曹曉波,李 傳

(國網河北省電力公司電力科學研究院,石家莊 050021)

分析諧波對電能計量的影響,對邯鄲地區2個電氣化鐵路牽引站計量情況進行實驗室模擬和現場運行試驗,現場實測的計量誤差說明,在諧波的影響下,傳統全波計量方式會對電力系統帶來經濟損失,提出在可能的情況下使用基波功率和諧波功率分開計量的計量方式,實現合理、準確、公平計量。

諧波;電子式電能表;電能計量

0 引言

在電力系統中,電力諧波的存在對電能計量的準確性會產生直接影響。在電網中,基波功率的潮流有一定的方向,基波功率是從發電機流向各種用電設備。同樣,電網的諧波功率也有一定的方向。與基波功率的潮流相反,諧波功率是從非線性用電、變電設備流向其他的線性用電設備和發電機。因為諧波源是電流源,諧波潮流在傳輸過程中的中間環節的電阻大于末端電阻。因此諧波功率主要被消耗在了中間環節。

1 諧波影響的建模分析

為了分析電力系統中諧波潮流的分布對電能表計量性能的影響,構造見圖1。在模型中給出了電力系統基波與諧波有功潮流的分布情況,包括基波功率源(發電機)、非線性用戶及線性用戶。

圖1 基波與諧波有功潮流

線性用戶從電網中吸收所需的基波負荷P1M,引起基波線損ΔP1M。非線性用戶從系統中吸收所需的基波負荷P1R,引起基波線損ΔP1R。這些基波負荷和線損都由發電機的基波功率P1G來滿足,電網中的基波有功功率可表示為:

諧波電流流入送變電設備,在其上產生諧波損耗ΔPhM,諧波電流流入線性設備,在其上產生諧波損耗PhM,諧波電流在發電機中形成諧波損耗PhG。PhGM由PhG、PhM和ΔPhM匯合而成, ΔPhGM則是與此相應的送變電設備中的諧波損耗。因此電網中諧波有功功率可表示為:

2個用戶所裝電能表計量的有功功率分別為:

現有的電能計量表計大多為計量總電量,從PJ1和PJ2的計量結果可以看出:在不考慮背景諧波情況下,當諧波潮流由用戶流向電網時,非線性用戶的表計總電量由于諧波電量的存在而減小,該非線性用戶既污染了電網,又少計了電量;而線性用戶在受到諧波危害的同時,其表計總電量還會由于諧波電量的存在而增大。因此,合理的計量方式應當對基波電能和諧波電能分別計量。

大量的研究結果表明,電子式電能表能對基波電能與各次諧波電能進行有效的計量。電子式電能表計量的總電能受諧波與基波的潮流方向是否相同的影響。潮流方向相同時,計量的總電能是基波與各次諧波電能之和,大于基波電能;潮流方向相反時,計量的總電能是基波與各次諧波電能之差,小于基波電能。

2 實驗室模擬驗證

為了驗證所建電子式電能表計量數學模型的正確性,設計了試驗進行模擬。試驗使用MAX-sys2510多功能電能表、EDMI MK3多功能電能表CL303型電源在實驗室內對現場運行狀態進行模擬,對電子式電能表計量的電量進行驗證。

試驗條件:環境溫度(20±2)℃,相對濕度(60±15)%。基波電壓220 V、基波電流5 A。在電壓回路疊加3次15%、5次10%、7次3%的諧波電壓。在電流回路疊加3次15%、5次10%、7次3%的反向諧波電流。采用CL303型電源,可以輸出2～21次諧波,可以調節各次諧波電壓和諧波電流的相角和幅值,從而可以改變諧波的功率方向,模擬各種諧波情況。因此用它來模擬現場的電壓、電流,能滿足試驗要求。接線方法如圖2。

圖2 實驗室模擬運行接線示意

圖2中的MAXsys2510多功能電能表具有諧波電量計量功能,并可變換計算出基波電量和各相電壓電流失真度,可用于測量傳統的計量方式測量到的總有功電量和基波電量。圖2中的EDMI MK3電子式多功能電能表,可測量傳統的計量方式(傳統的計量方式是指目前國內采用的“電能表應準確反映實際功率,即基波和諧波的綜合功率”的計量方式)測量到的總有功電量。試驗在不同條件下共進行了3次,每次運行時間10 min,記錄每個表的走字變化,不同條件下諧波電量計量與傳統計量方式比較見表1。

表1不同條件下諧波電量計量與傳統計量方式比較

從試驗數據可以看出:MAXsys2510表和EDMI MK3表的總有功電量非常接近,它們的微小差別是合理的計量誤差。這個電量體現了傳統的全波計量方式測量到的電量。基波電量是我們消除了諧波對傳統的計量方式影響后的電量。

以下用公式計算基波電量和總有功電量之間的差值:

式中:ζ為基波電量和總有功電量之間的差值百分比;W1為基波電量;WT1為MAXsys2510表總有功電量;WT2為EDMI MK3表總有功電量。

可以得到基波電量與總有功電量差值的百分比,見表2。

表2基波電量與總有功電量差值的百分比

如表2所示數據,在模擬現場運行狀態下,由于傳統的全波計量方式受到諧波的影響,會造成少計量電量。

3 實例分析

現以某電網為例,分析諧波對電能表計量誤差帶來的影響。在某地區,隨著工礦企業、冶金行業的不斷發展以及電氣化鐵路的投運,電網諧波愈來愈嚴重,其影響程度也愈來愈顯著。在邯鄲電網,諧波源主要是電氣化鐵路和煉鋼廠等企業。電氣化鐵路是一種單相不對稱波動負荷,由于鐵路運輸的特殊性,電鐵機車沿鐵路移動用電,其產生的危害程度比起其它類型的非線性設備要嚴重的多。電鐵牽引負荷波動頻繁、沖擊大,給電力系統及其他電力用戶帶來許多不利影響。電氣化鐵道的牽引動力來自電力機車,我國使用的電力機車基本上都為單相分段半控橋變流方式或單相全波不控變流方式,因此,在機車運行過程中,具有嚴重的非線性,向電力系統注入大量的高次諧波電流,成為電力系統中最大的諧波源。

由于實驗室模擬現場運行狀態有很大的局限性,因此選取了A變電站和B變電站2個牽引變電站做現場試驗。現場運行試驗仍采用具有諧波電量計量功能、并能測量總有功電量和基波電量的MAXsys 2510多功能電能表和僅能測量總有功電量的EDMI MK3多功能電能表,將2塊表接在二次計量回路,接線方法如圖3。現場試驗得到的數據如表3和表4所示。

圖3 現場運行接線示意圖

表3 A變電站MAXsys2510表和EDMI MK3表測量數據

表4 B變電站MAXsys2510表和EDMI MK3表測量數據

同樣用實驗室計算公式得出現場試驗中基波電量對總有功電量的差值百分比為:A變電站平均值1.839%,B變電站平均值1.770%。

以上數據說明,在A變電站和B變電站現場運行狀態下,由于傳統的全波計量方式受到諧波的影響,會造成少計量電量。

4 結束語

通過實驗室模擬和2個電氣化鐵路牽引站計量情況的現場運行試驗,得到由于傳統的全波計量方式受到諧波的影響,對于非線性電力用戶會導致僅能計量全波電量的電子式電能表少計量,對電力部門造成經濟損失。

諧波對電能計量的準確性和合理性有著極大的影響。按照電力成本合理分攤的電價體系,對吸收諧波電能的客戶在電力價格或用電量上適當給予諧波分量補償、對向電網注入諧波電能的客戶給予電力成本合理分擔,按諧波分量的比例對其用電價格進行調整,是非常有必要的。但國家目前尚無此方面的技術和商業營運規則,因此,采用分別計量基波電能和諧波電能,記錄諧波電能方向的計量方式是比較合理可行的。這樣能夠提高計量的準確性,減少計量損失;同時運用經濟杠桿,減少諧波向電網的輸送量,從而減少諧波對其他用戶的影響和危害,保證電網的電能質量。

目前國際上提出了一種“獎懲性方案”。其基本思想是:系統與用戶在額定的范圍內正常交易,如果系統不能保證供電質量,用戶應當得到賠償;如果用戶的污染指標惡化,則系統在保證向用戶正常供電的前提下,收取額外的懲罰費用,如果用戶吸收系統中額外的諧波功率,則應當給予一定的補償和鼓勵。這種獎懲性的供電方案,可以通過經濟手段迫使諧波源負荷采取措施來減少注入系統的諧波量,體現出系統和用戶對電能質量狀況的共同責任,實現對電能質量的合理控制以及對電能計量的科學管理。

參考文獻:

[1] 周丹丹,孟 盟.關于諧波下電能計量方法的研究[J].中國儀器儀表,2007,(5):

[2] 王思源.諧波對電能計量的影響[D]:山東大學2014.

[3] 張 蓓.諧波電能計量方法的研究[D]:西安:西北大學2014.

[4] 葛 毅.電力諧波對電能表電能計量的影響研究[D]:重慶:重慶大學2013.

本文責任編輯:趙軼美

Effect Research of Harmonics on Metering Performance of Electronics Energy Meter

Kong Weizhong,Shi Lun,Cao Xiaobo,Li Chuan

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

The mechanism of the effect of the harmonics on the induction meter and electronic energy meter is analyzed.Based on the laboratory test and field test of the two transformer substations for electrified railways in Handan city,the test result show that the tradition metering will make the lose of economy under the harmonics existing.Finally,in some serious harmonic pollution area,in order to measure the electrical energy accurately and rationally,the electrical energy metering should adopt the separate metering method for the electric energy with and without harmonics.

harmonic;electronic watt-hour meter;electrical energy measurement

TM 933.4

:A

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孔偉忠(1984-),男,工程師,主要從事電廠技術監督服務工作。